Bij een onderwerp als CO2 kom je er niet omheen. Wat chemische vergelijkingen. Ook hier zijn er wat van toepassing en we beginnen met de onderstaande drie. De vergelijkingen met CO32- laten we maar even weg omdat we carbonaat met onze pH waarden niet vaak tegenkomen.
Het oplossen van CO2 in water.
Als we CO2 in water oplossen dan zien we in het schema hierboven dat er twee mogelijkheden zijn.
- Reaktie van 3 naar 2, CO2 wordt omgezet naar koolzuur (H2CO3). CO2 + H2O
H2CO3 - Reaktie van 3 naar 1, CO2 wordt omgezet naar H+ en HCO3- CO2 + H2OH+ + HCO3-
Welke vergelijking is nu de juiste? Wordt bij oplossen van CO2 nu eerst H+ + HCO3- of H2CO3 gevormd? Nou, het antwoord is dat er H2CO3 tevoorschijn komt. De reaktie tussen H2CO3 en H+ + HCO3- gaat namelijk veel sneller dan de andere reakties.
Bron: Stumm & Morgan, Aquatic Chemistry
Het oplossen van CO2 gebeurt dan ook in de twee stappen volgens de rode lijn op het driehoeksschema. Ook het ontwijken van CO2 voert langs deze lijn.
Stap 1. CO2 + H2O
H2CO3
Stap 2. H2CO3H+ + HCO3-
Bij het oplossen van CO2 blijft het grootste deel gewoon als CO2 in het water. Hoe lager de pH des te meer CO2wordt er omgezet naar H2CO3. Dat is in de grafiek goed te zien.
Er is dus een evenwicht tussen CO2 en H2CO3 volgens:
CO2 + H2OH2CO3
Waar dit evenwicht ligt is afhankelijk van de aanwezige concentraties en de pH.
Lage pH dan ligt het evenwicht rechts en is er veel H2CO3.
Hoge pH dan ligt het evenwicht links en is er weinig H2CO3.
Voeg je links CO2 toe dan schuift het evenwicht meer naar rechts. Er wordt H2CO3 gevormd. Voeg je rechts H2CO3 toe dan gaat het evenwicht naar links er wordt CO2 gevormd.
Toevoegen CO2 beinvloed de pH, maar ook de KH?
Dat het toevoegen van CO2 de pH beinvloed dat gelooft iedereen wel! Als je CO2 toevoegd is dat duidelijk te merken. Maar beinvloed het CO2 toevoegen ook de KH? De meningen onder aquarianen zijn verdeeld. Nou, door CO2 toevoegen kan het niet anders of de KH wordt beinvloed. Kijk maar naar de vergelijkingen.
CO2 + H2OH2CO3
We voegen links meer CO2 toe en krijgen dan rechts meer H2CO3We krijgen meer H2CO3 en kijken dan naar de vergelijking hieronder:
H2CO3H+ + HCO3-
Links meer H2CO3 betekend dat het evenwicht naar rechts gaat.
We krijgen dus meer H+ en ook meer HCO3-
Meer H+ betekend een lagere pH door CO2 toevoeren.
Meer HCO3- betekent een hogere KH door het toevoeren van CO2
Nou mooi is dat!! En op de CO2 mythes pagina zit ik te verkondigen dat de KH niet veranderd bij het toevoeren van CO2. Hoe zit dat dan? Ehhhhh…..nou, het is zo dat de KH wel veranderd door het toevoeren van CO2 maar dat dit zo weinig is dat het met een normaal meetsetje niet is te bepalen.
Meer CO2, lagere pH en bijna gelijke KH, een voorbeeld
Een aquarium heeft de onderstaande waterwaarden. We gaan er wat extra CO2 in stoppen om te kijken wat er gebeurd.
| pH = 6,7 KH = 6 CO2 = 47,25 mg/ltrExtra CO2 toevoer van nog eens 47,25 mg/ltrWat wordt de pH? Wat wordt de KH? |
|
De verhoudingen in de grafiek zijn in mol. We moeten onze waarden eerst even naar mol omrekenen.
| pH = 6,7 KH = 6 CO2 = 47,25 mg/ltr |
Dan is er 10^-6,7 * 1.000.000= 0,199 µmol (micromol) aan H+ aanwezig. Per definitie: 1 KH = 357 µmol. Dus KH=6 geeft 2142 µmol/ltr aan HCO3- 1 mol CO2 is (2*16+12)= 44 gram. Er is 47,25 x 1000/44 = 1074 µmol CO2 |
Het aandeel H2CO3 (0,000587%) en CO32- is bij pH=6,7 zo klein die twee laten we nu even weg.
We hebben dus bij pH=6,7 en KH=6 in totaal:
2142 µmol/ltr HCO3- + 1074 µmol CO2 = 3216 µmol
Het aandeel HCO3- is dan (2142/3216)*100 = 66,6 %
Het aandeel CO2 is dan (1074/3216)*100 = 33,4 %
In de grafiek zien we dat bij een pH van 6,7 zo’n 33% als CO2 aanwezig is en 67% als HCO3-. Wat we net aan de hand van de waarden van het aquariumwater berekend hebben klopt dus mooi met de grafiek!
We gaan meer CO2 toevoeren.
Wat gebeurt er nu als we extra CO2 gaan toevoeren? Nou we zagen het al. Een deel blijft gewoon als CO2 in het water zitten. Een zeer klein deel wordt omgezet naar H2CO3 en dat wordt weer omgezet naar H+ en HCO3-
Als we de CO2 verdubbelen dan krijgen we ook dubbel zoveel H+ in het water. We hadden 10^-6,7 = 0,199 mol aan H+ dit wordt dan 2*0,199 = 0,398 mol H+ De nieuwe pH wordt dan -log(0,398/1.000.000) = 6,4 (De faktor 1.000.000 is om van µmol naar mol te komen)
Als er 0,199 µmol aan H+ bij komt dan moet er dus ook 0,199 µmol aan HCO3- bij komen. We hadden al 2142 µmol/ltr aan HCO3-
In de nieuwe situatie hebben we dus 2142+0,199 = 2142,199 µmol HCO3-
Dan wordt de nieuwe KH daarmee dus: 2142,199/357 = 6,000557
We zien dus dat de pH door toevoegen van CO2 behoorlijk zakt. Van 6,7 naar 6,4. De KH gaat van 6 naar 6,000557 en blijft daarmee eigenlijk gelijk.Hoe zit het nu met de verhoudingen?
In de nieuwe situatie krijgen we dus 2*47,25 = 94,5 mg/ltr CO2 en H2CO3.
We krijgen dus 94,5 x 1000/44 = 2148 µmol CO2
De KH was 2142,199 µmol
In totaal dus 2148 CO2+ 2142,199 HCO3-= 4290,199 µmol.
De verhoudingen worden dan:
(2148/4290,199)*100 = 50,06% CO2
(2142,199/4290,199)*100 = 49,93% HCO3-
Het aandeel H2CO3 is bij een pH van 6,4 iets gestegen naar 0,000587%
Kijken we in de grafiek bij een pH van 6,4 dan zien we inderdaad de 50/50% verhouding terug!
| Conclusie:
Door CO2 toevoer zakt de pH |
Over het toevoegen van zuren
Het toevoeren van CO2 heeft naar verhouding weinig effekt op de pH en al helemaal weinig op de KH. Dat komt omdat het meeste CO2 niets doet. Alleen het deel dat naar koolzuur wordt omgezet zal reageren en omgezet worden naar H+ en HCO3-. Hoe zit het nu bij het toevoegen van een zuur?
Nou, we nemen meteen een goed sterk zuur als bijvoorbeeld zoutzuur. Chemisch bekend als HCl. Zoutzuur lost in water op volgens de vergelijking: HCl
H+ + Cl-
Het toegevoegde H+ kiest de snelste weg. Het reageert met HCO3- en er vormt zich H2CO3. En dit koolzuur valt weer grotendeels uit elkaar in CO2 en in H2O. In schemavorm:
H+ + HCO3- H2CO3 CO2 + H2O
We zien dat het toevoegen van een zuur toch een andere uitwerking heeft dan het toevoegen van CO2. Door het toevoegen van een zuur wordt de KH (het HCO3-) afgebroken en omgezet naar CO2. Bij het toevoegen van CO2 bleef de KH vrijwel gelijk, ja nam zelfs nog heeeel ietsjes toe.
We maken weer eens een voorbeeld:
| PH = 6,7 KH = 6 CO2 = 47,25 mg/ltrWe voegen 39,2 mg/ltr zoutzuur toeWat wordt de pH? Wat wordt de KH? |
Zoutzuur heeft een molaire massa van (1+35,5)=36,5 gram/mol
39,2 mg/ltr zoutzuur is dus 39,2 x 1000/36,5 = 1074 µmol
In het vorige voorbeeld voegden we 1074 µmol CO2 toe nu voegen we dus 1074 µmol HCl toe.
Dit splitst dus in 1074 µmol H+ en 1074 µmol Cl-
We gaan eerst eens kijken wat er zou gebeuren met de pH als de KH=0 dus als er geen HCO3- aanwezig zou zijn.
We hadden 10^-6,7 H+ ionen. Dat is dus 0,199 µmol
Daar komt door het toevoegen van zoutzuur 1074 µmol H+ bij. In totaal hebben we dan 0,199 + 1074 = 1074,199 µmol H+
De nieuwe pH wordt dan (faktor 1000000 om naar mol te rekenen): -log(1074,199/1000000) = 2,97
Die pH klapt dus aardig in elkaar als we een zuur toevoegen bij KH=0
Maar we hadden KH=6 in ons voorbeeld. Wat gebeurd er dan? Bij KH=6 hebben we 6*357= 2142 µmol HCO3-
Het H+ reageert met het HCO3- waardoor er minder HCO3- over blijft.
Er blijft dan nog 2142 – 1074,199 = 1067,801 µmol HCO3- over.
Dit geeft dan een KH van: 1067,801/357 = 2,991
De KH is dus gehalveerd van 6 naar 3
Wat CO2 niet lukt dat lukt een zuur dus wel. De KH wordt minder.
Maar we zijn er nog niet. Er wordt immers door het afbreken van de KH ook H2CO3 gevormd.
En dit valt weer uit elkaar in CO2 en H2O.
Door het toevoegen van een zuur krijgen we dus ook meer CO2
Als er 1067,801 µmol H2CO3 wordt gevormd dan wordt er ook bijna net zoveel CO2 gevormd. Een heeel klein deel blijft achter als H2CO3. Daar houden we even geen rekening mee.
Er was al 47,25×1000/44 = 1074 µmol CO2 Daar komt dus nog eens 1074 µmol bij.
We hebben dus dubbel zoveel CO2. Het CO2 gehalte stijgt dus naar 94,5 mg/ltr
Nu zijn we een stap verder. Een KH=3 en 94,5 mg/ltr CO2. Als we in een tabel of CO2 calculator kijken dan zien we dat de pH dan zo’n 5,96 bedraagt.
Maar dat CO2 gehalte blijft natuurlijk niet zo hoog! Door planten wordt een deel opgenomen een groot deel ontwijkt naar de atmosfeer. En op de duur komt het water weer terug naar het oude CO2 gehalte van 47,25 mg/ltr.
De KH blijft dan 3 en bij 47,25 mg/ltr wordt de pH dan 6,26
| Conclusie:
Door toevoer van een zuur zakt de pH Als we met zuren aan de gang gaan, Doe dit altijd buiten de bak! |
Over de bufferwerking
In het vorige voorbeeld zagen we bij een KH=0 de pH van 6,7 naar 2,97 kelderen!
Wanneer we dit bij KH=6 deden dan zakte die naar 5,96 en als het CO2 gehalte weer is gestabiliseerd naar een pH van 6,26
We zien dus duidelijk dat de KH een dempende invloed heeft op de pH daling wanneer een zuur wordt toegevoegd. Dit effekt noemen we nu de bufferwerking.
Bij een pH van 6,4 zagen we in de grafiek dat er een verdeling is van 50% CO2 en 50% HCO3-. Bij deze pH is de bufferwerking voor CO2/HCO3- dan ook het grootste.
Opvallend is dat de grootste bufferwerking pas optreedt bij een voor onze aquarianen lage pH waarde van 6,4. Een waarde waarbij de meesten onder ons al witjes om de neus beginnen te worden omdat het water dan toch al wel erg zuur is. De angst voor vallende pH waarden is dan ook meestal ongegrond.
